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» 2021年02月10日 08時00分 公開

実証実験続くBeyond 5G/6G「300GHz/テラヘルツ波無線通信」の今

5Gで出遅れた日本が巻き返しを図るBeyond 5G/6G。そこで期待されるのが電波の最後のフロンティア「300GHz/テラヘルツ波」帯の活用だ。この未開の領域を切り開く国内研究の成果が続々と出てきている。

[土肥正弘,ドキュメント工房]

300GHz/テラヘルツ帯用のデバイス開発続々

 5Gの機器開発、実用化で海外勢に大きく出遅れた日本だが、次のチャンスをもくろんでいるのが5Gの未来形として想定されているBeyond 5G、さらにその先の6Gだ。それら次世代無線通信システムが実現を目指しているのは100Gbpsから400Gbpsといった超高速データ伝送である。これは8K映像の非圧縮伝送(48Gbps以上が必要)を複数実行しても余りある速度になる。

 そんな高速性を実現するには、広い伝送周波数帯域が不可欠だ。5Gではミリ波帯と呼ばれる28GHz帯に最大400MHzの広帯域が確保できるようになったが、それでも最高伝送速度は10Gbps(目標)にすぎない。桁違いの速度を実現するには、たっぷりと帯域が確保できる、まだ使われていない周波数帯しかない。

 そこで近年研究開発が進んでいるのが、275GHz以上のサブミリ波、あるいはテラヘルツ波と呼ばれる高い周波数帯の電波だ。その領域の電波を利用する最新の通信技術とデバイスのプロトタイプによる実証実験がこのところ相次いでいる。例えば国内では次の3例などがある。

非圧縮8K映像を無線伝送

 2021年2月初めには世界で初めて300GHz帯で8K映像の非圧縮無線伝送に成功した事例が発表された(大阪大学、ローム共同開発)。これは周波数差が300GHz帯になるように設定した波長1.55ミクロン帯のレーザペアの出力を8K映像信号源で変調し、光電変換デバイスでテラヘルツ波に変換、2チャンネルの24Gbps信号になるように多重化したオンオフ変調信号を用いたという。

小型で低コストICを使った省電力無線トランシーバー開発

 2020年8月には、東京工業大学とNTTによりかねてより開発されてきた300GHz帯無線機用ICを改善、CMOSプロセスで省面積かつ低消費電力で動作する無線トランシーバーの開発成功が発表されている。これはIEEE802.15.3d(300GHz帯の無線規格)の仕様を満たし、QPSKから16QAMの変調方式に対応可能、最大通信速度は34Gbps、消費電力は送信機と受信機合わせて410mWとなり、その時点で先行していた研究成果の4分の1以下の省電力化を達成した(チップ面積はトランシーバー全体で3.8平方ミリ)。

スマホに搭載可能な超小型アンテナによる無線通信に成功

 2021年1月に岐阜大学とソフトバンク、情報通信研究機構(NICT)は、スマートフォンに搭載可能な超小型アンテナにより、600ミリの区間で17.5Gbpsでの通信に成功したことを発表した。このアンテナは開口面積わずか1.8平方ミリと非常にコンパクトながら、およそ15 dBiの利得(ゲイン:入力に対する出力の比)を実現し、約600ミリの距離では十分に低いビット誤り率での通信が可能なことが示された(この実証について、以降で詳しく解説する)。

図1 開発された超小型アンテナのサイズとスマートフォンとのサイズ感のイメージ(2020年6月のアンテナ開発時の3社発表プレスリリースより) 図1 開発された超小型アンテナのサイズとスマートフォンとのサイズ感のイメージ(2020年6月のアンテナ開発時の3社発表プレスリリースより)

なぜ300GHz帯が高速通信に有利なのか?

 これまで主にマイクロ波領域の周波数帯が無線通信に利用されてきたが、新しい伝送周波数帯域を設けられる余地はほとんどなくなり、さらに高い周波数帯のミリ波領域(5Gで使われる28GHz帯や、IEEE 802.11adで用いる60GHz帯、車載用ミリ波レーダーなどで用いられる70GHz帯など)も逼迫しているのが電波割当の現状だ。

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